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高可靠性電源系統的設計
 

【作者: Steve Munns】   2014年12月03日 星期三

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高可靠性系統設計包括:採用容錯設計方法、選擇合適的元件以滿足預期環境條件要求和符合技術標準要求。


本文專注於討論實現高可靠性電源的半導體解決方案,這類電源包括冗餘電路、電路保護和遠端系統管理。文中還將重點討論簡化設計、提高組件可靠性的最新產品功能。


高可靠性電源系統要求

在理想情況下,高可靠性系統應該設計成能夠避免單點故障,提供故障隔離手段,以在發生故障時使系統可以繼續運行,但性能也許有一定程度的下降。高可靠性系統還應該能夠控制故障,避免故障影響下游或上游電子元件。


內建冗餘電路是一種解決方案,這種解決方案或者採取主動分擔負載的並聯電路形式,或者在故障未發生時處於備用等候狀態。在每種情況下,故障檢測和管理都需要額外的電路系統開銷,因此增加了總體複雜性和成本。有些系統還採用了不同的並聯電路,以增強多樣性,降低共有故障機制風險,有些飛機的飛行控制系統中也會採用此類的電路。


高複雜性系統提高了電源性能要求,高轉換效率和良好的溫度管理至關重要,因為接面溫度每升高 10°C,IC 的壽命就大約減少一半。正如我們所見的,功能豐富的最新電源 IC 和專門的電源管理功能現在都強化了對 IC 本身及其周圍系統的保護。


電源穩壓器安全功能

輸出電流限制

這不是一種新功能,但是現在其實已經變得越來越準確和先進,隨著用戶可編程設計功能的增加,彈性也提高了。例如,圖一所示的 LT3667 是一款 40V、400mA 降壓開關穩壓器,該元件具有兩個故障保護的低壓差線性穩壓器。內部保護電路功能包括電池反接保護、電流限制、熱限制和電流反向保護。該 IC 的開關穩壓器部分,則提供開關電流限制和箝位元二極體電流限制,如此在輸出短路等故障情況下,就可以控制輸出電流。兩個線性穩壓器還具備單獨的用戶可程式設計電流限制,在圖一所示的應用例子中,由R7和R8設定為100mA。


如果出現故障,這些措施不僅保護元件本身,還能保護下游電子元件。



圖一 : LT3667 故障保護、開關和線性穩壓器
圖一 : LT3667 故障保護、開關和線性穩壓器

輸入電流限制

這種功能在用光伏電池採集能量之類的電路中常見,在這類電路中,高阻抗源要求必須仔細控制電流,以防止電源電壓崩潰。除了保護上游電子元件免受超載影響,輸入電流限制還可作為備份電源的安全功能使用,如圖二所示,在備份電源中,必須保護大型電容,並對其安全充電。LTC3128 提供準確度為+/-2% 的可程式設計平均輸入電流限制。在圖中所示應用中,輸入電流限制設定為3A,超級電容備份電路僅汲取主負載透過升降壓轉換器未消耗的「剩餘」電流。



圖二 : 基於 LTC3128 的超級電容備份電路
圖二 : 基於 LTC3128 的超級電容備份電路

過熱保護

過熱保護大部分用於具備內部功率電晶體的電源穩壓器 IC。在上述採用 LTC3128 的情況下,大約在攝氏165度時觸發過熱關機,在溫度降至大約攝氏155度之前,該元件一直被禁止。不過,該產品還包含一個熱穩壓器,可在以大電流為非常大的電容充電時,防止元件進入過熱關機狀態。當晶片溫度超過攝氏135度時,該穩壓器透過逐步降低平均電流限制發揮作用。諸如 8 輸出降壓穩壓器 LT3375 等產品可提供一個晶片溫度輸出,使用者能夠選擇設定為 3 種晶片溫度門檻之一。


控制多個輸入源

包含一個主電源和一個冗餘備份電源、也許還有一個外部輔助電源的電源系統需要一個判斷系統,以決定哪個電源擁有優先權,並監視這些電源的狀態。此外,判斷系統必須在電源切換時防止電源系統出現交叉傳導和反向饋送。LTC4417 等單晶片 IC 提供了一種解決方案,可根據使用者為每個輸入定義的電源門檻進行驗證,之後自動選擇電源。


另一種方法是由兩個同時運行的輸入源分擔負載,如此可降低每個輸入源的負擔,提高可靠性,同時,如果兩個輸入源每個的大小都適合支援整個負載的需求,那麼分擔負載的方法還可以在一個輸入源出現故障時提供保護,這也可以提高可靠性。過去有可能採用一種簡單但效率較低的diode-OR解決方案,但是這種解決方案要求每個電源都提供主動控制以平衡負載。圖三顯示,現在可以透過單晶片解決方案完成這個任務。LTC4370 是一款均流控制器,提供反向隔離,防止一個電源的故障導致整個電源系統崩潰。



圖三 : LTC4370 雙冗餘電源分擔負載
圖三 : LTC4370 雙冗餘電源分擔負載

暫態保護

軍用和航空電子產品必須符合暫態保護規格要求,例如 MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-160(飛機)。不過,任何高可靠性系統都需要抵禦電壓湧浪、突波和漣波,而且已有專門提供這種功能的產品。儘管半導體製程技術的進步使穩壓器 IC 可以 100V 甚至更高的輸入電壓工作,但是專門的暫態保護 IC 可提供更多功能和更強的控制力。在圖四中,LTC4364 提供 27V (用戶可編程) 箝位輸出,以保護下游穩壓器免受電壓瞬態影響,同時在輸入短路或斷接 / 重設情況下保持輸出。



圖四 : 暫態保護和輸出保持
圖四 : 暫態保護和輸出保持

數位電源系統管理

新的產品正透過一種基於 I2C 的兩線式 PMBus 數位介面協定來逐步整合類比功率調節和數位控制兩者的優勢,以實現電源系統的遠端系統管理。遙測和診斷資料可用於監視負載情況、讀取故障記錄和提供至 +/-0.25% 準確度的修整和裕度調節,從而將系統效率和可靠性達到最高。此類系統為將維護計畫從基於時間轉向基於狀況提供了契機,並可能在系統故障條件確立之前凸顯出性能下降。


隔離型系統

高可靠性飛機電源系統包括一個隔離勢壘,以避免飛機電源匯流排遭受下游線路可更換單元(通常額定在幾百或幾千瓦)中的故障之損害。另外,日漸增多的感測器和執行器也推動了對於較小局部隔離型電源和資料介面的需求,主要是在減少源於接地迴路和共模干擾的雜訊誘發性問題。如今,一項可簡化設計並提升可靠性的完整電流隔離型 BGA 模組解決方案已經問市。


無線功率傳輸領域中的近期開發成果,包括一款採用 LTC4120 的 2W 電池充電系統,其由凌力爾特與 PowerbyProxi 公司共同開發並運用了後者的動態諧波控制 (DHC) 專利技術,該技術可在最大的發送 (TX) 至接收 (RX) 線圈距離和位置偏差下,實現高效非接觸式充電,而不會發生採用無線電源系統時常見的任何熱問題或過壓問題。



圖五 : 數位電源系統管理
圖五 : 數位電源系統管理

零組件選擇

本文探討了許多簡化高可靠性電源設計的最新功能以及保護元件免受故障或濫用影響的產品功能。不過,至關重要的是,針對所預期的環境條件,零組件品質的重要性以及選擇正確級別的重要性是不可忽視的。例如,凌力爾特的軍用塑封級元件 100% 經過測試,在攝氏-55度至+125度的溫度範圍內的性能具有保證,因此無需耗時費力地為預期環境條件非常嚴酷的應用電路來篩選元件或定義元件特性。


結論

透過用戶可編程設計功能及更先進的內建保護機制,高可靠性電源設計已經得到簡化。數位電源系統管理為電源系統的遠端監視及控制提供了方式,以進一步提高效率和可靠性。最後,合適級別的元件將可大幅降低出現品質及可靠性問題的機會。(本文作者Steve Munns為凌力爾特行銷經理)


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